Miskolci Egyetem GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR. Analízis I. példatár. (kidolgozott megoldásokkal) elektronikus feladatgyűjtemény

Átírás

1 Miskolci Egyetem GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR Analízis I. példatár kidolgozott megoldásokkal) elektronikus feladatgyűjtemény Összeállította: Lengyelné Dr. Szilágyi Szilvia Miskolc, 013.

2 Köszönetnyilvánítás Az Analízis I. példatár kidolgozott feladatokkal) című elektronikus feladatgyűjtemény a TÁMOP-4..1.B-10//KONV jelű projekt részeként az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.

3 Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék 1 Halmazok, relációk, függvények Halmazok megadása Műveletek halmazokkal Descartes-szorzat Relációk Függvények Halmazok számossága Útmutatások és megoldások A valós számok halmaza 4.1 Indirekt bizonyítások A teljes indukció A binomiális tétel Nevezetes egyenlőtlenségek Útmutatások és megoldások Valós számsorozatok Korlátos és monoton sorozatok Konvergencia és divergencia Rekurzív sorozatok Útmutatások és megoldások Egyváltozós valós függvények Korlátosság és monotonitás Páros és páratlan függvények Periodikus függvények Szakaszonként lineáris függvények Függvények határértéke Függvények folytonossága, szakadási helyek Racionális egész és törtfüggvények Trigonometrikus függvények és inverzeik Hiperbolikus függvények és inverzeik Útmutatások és megoldások Differenciálszámítás Egyváltozós valós függvények deriválása Érintő és normális megadása Logaritmikus differenciálás Implicit függvények differenciálása Középértéktételek Magasabbrendű deriváltak Taylor-polinom

4 TARTALOMJEGYZÉK L Hospital-szabály Teljes függvényvizsgálat Szöveges szélsőérték feladatok Útmutatások és megoldások Irodalomjegyzék 91

5 1 1 Halmazok, relációk, függvények 1.1 Halmazok megadása Vizsgálja meg, hogy üres halmazt definiálnak-e az alábbi halmazok! a) A = {x R x + 4 = 4}; b) B = {x R x + 1 = 0}; c) C = {x R x = 5 és x > 5} Bizonyítsa be, hogy csak egy üres halmaz létezik! Sorolja fel a következő halmazok elemeit! a) A 1 = {z Z z 10 < 4}; b) A = {n N n osztható 3-mal és 4n < 31}; c) A 3 = {z Z z + 00 < 30z}; { d) A 4 = n N n 1 n 3 1 > 1 5 e) A 5 = } ; { n N n páratlan és 0 < log n 7 < 1 } ; f) A 6 = {n N 7 < n + 5 < 9}; { g) A 7 = z Z z 7 } z + 3 > ; h) A 8 = {z Z z 1)z + 4) < 0} Sorolja fel a következő halmazok összes elemét! a) B 1 = {x R x 3 3x + x = 0}; b) B = {x R x + 1x } és x > 0 ; c) B 3 = d) B 4 = { x Z 1 } 4 x < 5 ; { x N log 1 } 1 x < ; e) B 5 = {x N 3 < x 5 < 10}; { f) B 6 = x Z x + 3 < 1 }.

6 1. Műveletek halmazokkal Válassza ki a helyes állításokat! a) {1, } {1,, {1,, 3}}; b) {1, } {1,, {1,, 3}}; c) {1, } {1,, {1, }}; d) {1, } {{1}, {}, {1,, 3}}; e) {1} {1,, {1,, 3}}; f) {1} {1,, {1,, 3}}; g) 1 {1,, {1, }}; h) {1} {1,, {1}, {, 3}} Ábrázolja az alábbi halmazokat derékszögű koordináta-rendszerben: a) C 1 = {x, y) R x + y = 0}; b) C = {x, y) R x y > 0}; c) C 3 = {x, y) R y > x + 1}; d) C 4 = {x, y) R 1x > 1y }, x 0, y Műveletek halmazokkal Legyen A = 1, ] és B = [1, 4). Határozza meg és ábrázolja a számegyenesen az alábbi halmazokat! a) A B; b) A B; c) A \ B; d) B \ A Állapítsa meg az X = A \ B C)) A \ B) \ C) halmaz elemeit, ha A = {n N n páros}; B = {n N n < 4}; C = {n N n > } Legyen A = [ 1, 3] R, B =, 6] R, és C = [ 4, 7) R. a) Határozza meg az X = [A B) \ C] [C \ A B)] halmazt! b) Határozza meg az A B halmazt! Határozza meg az A n és A n halmazt, ha n N a) A n = {x Z n x n}; n N b) A n = {x N x = 3n vagy x = 3n 1}; { c) A n = 1, 1, 1 3, 1 4,..., 1 }. n

7 1. Műveletek halmazokkal Az alábbi állítások közül melyik igaz és melyik nem? A és B tetszőleges halmazok.) a) A B) A B); b) A B) A; c) A B) A \ B; d) A \ B) A B); e) A B) A \ A \ B)) Hozza egyszerűbb alakra az alábbi kifejezéseket! a) A B) A B); b) A B) B A) A B) Ha az A, B, C halmazok páronként diszjunktak, akkor mivel egyenlő az halmaz? Ha A B C, akkor mivel egyenlő az halmaz? X = A \ B) B \ C) ) C \ A) Y = A B) B C) A C) ) \ A B C) Legyen A = {x, y) R y = ax + b} ; B = {x, y) R y = cx + d}. Mit mondhat az a, b, c, d paraméterekről, ha tudja, hogy a) A \ B = A; b) A \ B = ; c) A B = {0, 0)} ; d) {1, 0), 0, 1)} A B) Igazolja, hogy tetszőleges A, B, C halmazokra: a) A \ B C) = A B C; b) A \ A B) = A \ B; c) A \ B) A \ C) = A \ B C); d) A \ B C) = A \ B) A \ C). e) A B C A C B = A B C; f) A B A B = A B A B; g) A B C) = A B) A C) A H halmaz A, B és X részhalmazára: Fejezze ki az X halmazt A-val és B-vel! X A X A = B.

8 1.3 Descartes-szorzat Legyenek x, y, z különböző elemek és A := {x, y, z}. Sorolja fel az A hatványhalmazának elemeit! Legyen A = P {a, b}) és B = P {b, c}). Határozza meg az alábbi halmazok elemeit! a) A B; b) A B; c) A \ B; d) B \ A; e) A B Határozza meg az alábbi halmazok összes elemét! a) P ); b) P P )); c) P P P ))) Legyenek A és B adott halmazok. Bizonyítsa be, hogy 1.3 Descartes-szorzat PA B) = PA) PB) Hány közös eleme van az A B és B A halmaznak, ha A = {0; 1; ; 3} és B = {0; 1; ; 4}? Határozza meg az A B) B A) és A B) \ B A) halmazt, ha A = B! Legyen A = {1; ; 3}, B = {; 3; 4}. Határozza meg a következő halmazokat: a) A \ B) B \ A); b) A B) A B); c) A \ B) B A); d) B \ A) B A) Léteznek-e olyan A és B halmazok, amelyekre a) A B = {a, x), a, y), b, x), b, y), c, x), c, y)}; b) A B = {a, x), a, y), b, x), b, y), c, x)}; c) A B = {5, 1), 5, ), 5, 3), 6, 1), 6, ), 6, 3), 7, 1), 7, ), 7, 3)}; d) A B = {1, 1), 1, ),, ), 3, 1), 3, ), 3, 3), 1, 3)} A sík mely részhalmazát jelölik ki a derékszögű koordináta-rendszerben az R R halmaz következő részhalmazai? a) [0, 1] [0, 1]; b) {0} 1, + ); c) [1, + ), 0); d) Z Z; e) N π, π); f) R.

9 1.4 Relációk Döntse el, hogy az R R halmaz alábbi részhalmazai előállnak-e A B alakban az R halmaz valamely A, B részhalmazaival! a) D 1 = {x, y) x < 3, 1 < y < }; b) D = {x, y) x + y = 1}; c) D 3 = {x, y) x + y = 1}; d) D 4 = {x, y) x = 3, y R}; e) D 5 = {x, y) x, y 0}; f) D 6 = {x, y) 0 x 1 y 1}; g) D 7 = {x, y) x y Z}. 1.4 Relációk Határozza meg az alábbi relációk értelmezési tartományát, értékkészletét és inverzét! a) A := { 5,, 3, 4, 5, 9}, B := {, 1,, 3}, ρ A B és xρy akkor és csak akkor, ha x + y = 7; b) A := {0, 1, }, B := {0, 3, 5}, σ A B és xσy akkor és csak akkor, ha xy = Legyen adott az A = {1, 3, 5, 7} halmaz. Tekintsük az alábbi relációkat: ρ 1 = {a, b) a < b} A A, ρ = {a, b) a > b} A A, ρ 3 = {a, b) a b} A A, ρ 4 = {a, b) a b} A A. a) Határozza meg a relációk értelmezési tartományát és értékkészletét! b) Mi a fenti relációk egymáshoz való viszonya? c) Mi az A A viszonya az egyes relációkhoz? Adottak a ρ = {1; ), ; 3), 3; 1), 4; 5), 5; 4)} és σ = {1; ), 1; 4), ; 4), 3; 1), 4; 5)} relációk az A = {1,, 3, 4, 5} halmazon. a) Határozza meg az adott relációk értelmezési tartományát, értékkészletét és inverzét! b) Számítsa ki a σ ρ 1 relációt! Adott a σ = {1; 5), ; 4), 3; 1), 4; 5), 5; 3)} bináris reláció az A = {1,, 3, 4, 5} halmazon. Számítsa ki a σ σ 3 relációt!

10 1.4 Relációk Adottak a ρ = {1; ), ; 3), 3; 1), 4; 5), 5; 1)} és σ = {1; 5), 5; 4), ; 4), 3; 1), 4; 1)} relációk az A = {1,, 3, 4, 5} halmazon. a) Határozza meg a σ ρ) 1 relációt! b) Határozza meg a σ ρ) ρ σ) relációt! Legyen A := {a, b, c}. Adja meg az összes ekvivalenciarelációt az A halmazon! Vizsgálja meg, hogy az alábbi relációk közül melyik reflexív, szimmetrikus, antiszimmetrikus, tranzitív. Ennek alapján állapítsa meg, melyik reláció ekvivalencia, melyik parciális rendezés és melyik teljes rendezés! a) ρ 1 = {a, b) a = b } R R; b) ρ = {a, b), c, d)) a + d = b + c} R R ; c) ρ 3 = {a, b) a b} L L, ahol L a sík összes egyeneseinek halmaza; d) ρ 4 N N és xρ 4 y akkor és csak akkor, ha x y; e) ρ 5 Z Z és xρ 5 y akkor és csak akkor, ha x y; f) ρ 6 = {a, b) a eltolható b-be} S S, ahol S a sík összes sokszögeinek halmaza; g) ρ 7 = {a, b) ha a = b vagy b az a egyenesági leszármazottja, azaz b az a gyermeke, unokája,...} E E, ahol E az összes emberek halmaza; h) ρ 8 = {a, b) ha a ugyanazokból a számjegyekből áll a tízes számrendszerben, mint b} N N; i) A egy adott halmaz, φ P A) P A) és xφy akkor és csak akkor, ha x = y; j) A egy adott halmaz, ψ P A) P A) és xψy akkor és csak akkor, ha x y Igazolja, hogy ha ρ és σ az A halmazon értelmezett két reláció, akkor: a) Ha ρ és σ szimmetrikus, akkor ρ σ és ρ σ szimmetrikus; b) Ha ρ tranzitív, akkor ρ 1 tranzitív; c) Ha ρ és σ tranzitív, akkor ρ σ tranzitív Legyenek A, B, C, D, E, F adott halmazok, F A B, G C D, H E F. Bizonyítsa be, hogy F G) H = F G H) Legyen X := {1, 1, 13,..., 1n },... a relációval teljesen rendezett halmaz. a) Határozza meg X legkisebb és legnagyobb elemét!

11 1.5 Függvények 7 b) Határozza meg X alsó illetve felső korlátainak halmazát R-ben. Mivel egyenlő sup X és inf X R-ben? Az alábbi halmazok esetén határozzuk meg sup X-et és inf X-et ha létezik)! a) X := {x R x= 1 }, n N ; n b) X := [ 1, 1]; c) X := {x Z 5 x < 0} Adjon példát olyan teljesen rendezett halmazra, amelyben van legkisebb és legnagyobb elem, de amelynek van olyan végtelen részhalmaza, hogy annak sem infimuma sem szupremuma nem létezik! 1.5 Függvények A függvényre adott definíció alapján válassza ki az alábbi relációk közül a függvényeket: a) {1; 5), ; 3), 6; 7), 3; 5), 10; 5)}; b) {1; ), 1; 3), 1; 4), 1; 5), 1; 6)}; c) {; ), 3; ), 4; ), 5; )}; d) { 1; 3), 4; 7), 8; 1), 9; 7), 10; 8)}; e) { 1; 5), 4; 8), 3; 8), 1; 4), 8; 7), ; 0)} Legyen A = {0, 1,, 3, 4, 5}. Állapítsa meg, hogy az alábbi relációk közül melyek definiálnak függvényt! a) ϕ 1 = {x, y) y = x} A A b) ϕ = {x, y) x = 4} A A c) ϕ 3 = {x, y) y = 5} A A d) ϕ 4 = {x, y) y x} A A e) ϕ 5 = {x, y) y x} A A f) ϕ 6 = {x, y) y = x + 1} A A Döntse el, hogy az alábbi relációk közül melyek függvények: a) ρ N N és xρy akkor és csak akkor, ha x y; b) P a prímszámok halmaza, f P P és xρy akkor és csak akkor, ha x y; c) A := {0,, 4}, B := {1, 3, 5}, ρ A B és xρy akkor és csak akkor, ha xy = 0;

12 1.5 Függvények 8 d) A := {0,, 4}, B := {1, 3, 5}, σ B A és xσy akkor és csak akkor, ha xy = 0; e) ϕ = {a, b) ha a ugyanazokból a számjegyekből áll a tízes számrendszerben, mint b} az N halmazon; f) f N N és xfy akkor és csak akkor, ha x = y; g) f N N és xfy akkor és csak akkor, ha x = y ; h) f Z Z és xfy akkor és csak akkor, ha x = y Legyen A = {0, 1}. Adja meg az összes f : A A függvényt. Ezek közül melyek injektívek, illetve szűrjektívek? Az alábbi függvények közül melyek injektívek, illetve szürjektívek? Adja meg azon függvények értékkészletét, amelyek nem szürjektívek! a) f 1 : R R, f 1 x) = x 3 ; b) f : R R + {0}, f x) = x 4 ; c) f 3 : R + {0} R, f 3 x) = x 3 ; d) f 4 : R R, f 4 x) = sin x Döntse el, hogy az alábbi függvények közül melyek invertálhatók! Azokban az esetekben amikor a függvény invertálható határozza meg az inverz függvényt! a) f 1 : R R, f 1 x) = x + 1; b) f : R R, f x) = x ; c) f 3 : R \ {0} R \ {0}, f 3 x) = 1 x ; d) f 4 : R \ { 1} R \ { 1}, f 4 x) = 1 x 1 + x Vizsgálja meg, hogy az függvény bijektív-e! f : N N, fx) = { 1, ha x = 1, x 1, ha x > Legyen adott az f : [ 3; 3] R, fx) = 9 x 4 függvény. a) Határozza meg f egy bijektív leszűkítését! b) Írja fel a leszűkített függvény inverzét!

13 1.6 Halmazok számossága Legyen adott az f : [0; 9] R, fx) = 3 x 1 függvény. a) Határozza meg f egy bijektív leszűkítését! b) Írja fel a leszűkített függvény inverzét! Legyen adott az f : [ 1; 1] R, fx) = 1 x függvény. a) Határozza meg f egy bijektív leszűkítését! b) Írja fel a leszűkített függvény inverzét! Határozza meg a ϕ ϕ, ψ ψ, ϕ ψ és ψ ϕ függvényt, ha a) ϕx) = x és ψx) = x, x R; b) ϕx) = 1 x és ψx) = cos x, x R \ {0}; c) ϕx) = { 0, ha x 0 x, ha x > 0 és ψx) = { 0, ha x 0 x, ha x > 0, x R. 1.6 Halmazok számossága Adjon meg bijekciót a következő halmazok között! a) R + és R; b) 0, 1] és [1, + ); c) [0, 1] és [5, 9] Legyen A adott halmazrendszer, f A A, és AfB akkor és csak akkor, ha A és B egyenlő számosságú. Bizonyítsa be, hogy f ekvivalencia-reláció A-n! Legyen a, b R és a < b. Bizonyítsa be, hogy a) [0, 1) [0, + ); b) a, b) 0, 1); c) 0, 1) a, + ); d) a, + ), a); e) 0, 1) R Bizonyítsa be, hogy R bármely két zárt intervalluma ekvivalens!

14 1.7 Útmutatások és megoldások Útmutatások és megoldások A = {0}, azaz A. B = C = A bizonyítás indirekt úton könnyen elvégezhető a) A 1 = { 3, 3}; b) A = {3, 6}; c) A 3 = {11, 1, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19}; d) A 4 = {1,, 3, 4, 5, 6}; e) A 5 = {9, 11, 13}; f) A 6 = {1}; g) A 7 = { 1, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4}; h) A 8 = { 3,, 1, 0} a) B 1 = {0, 1, }; b) B = {1}; c) B 3 = {, 1, 0, 1, }; d) B 4 = {1,, 3}; e) B 5 = {1, 9, 10, 11, 1, 13, 14}; f) B 6 = { 5, 6, 7} A b), c), f), g) és h) állítások igazak a) A C 1 = {x, y) R x + y = 0} halmaz elemei az y = x + egyenes pontjai.

15 1.7 Útmutatások és megoldások 11 b) A C = {x, y) R x y > 0} halmaz elemei az y = x és y = x egyenesek között találhatóak a Descartes-féle koordináta-rendszerben. c) A C 3 = {x, y) R y > x + 1} elemei: A parabola pontjai nem tartoznak hozzá a C 3 halmazhoz.

16 1.7 Útmutatások és megoldások 1 d) A C 4 = {x, y) R 1x > 1y }, x 0, y 0 halmaznak nincs eleme a II. síknegyedben, továbbá az x-tengely és az y-tengely pontjai sem tartozhatnak a C 4 halmazhoz a) A B = 1, 4); b) A B = [1, ]; c) A \ B = 1, 1); d) B \ A =, 4) Mivel B C = {3}, így A \ B C) = A. Az összeg második tagja üres halmaz, mert A \ B = {n N n páros és n 4}, és így A \ B) \ C = {n N n páros, n 4, n } =. Emiatt X = A = A.

17 1.7 Útmutatások és megoldások a) Ekkor A B = [ 1, 6], A B =, 3]. Így A B) \ C = és C \ A B) = [ 4, ] 3, 7). Tehát X = [ 4, ] 3, 7) = [ 4, ] 3, 7). b) A B = A B) \ A B) = [ 1, ] 3, 6] a) A n = Z és A n = { 1, 0, 1}; b) c) n N n N A n = {n N n 3k, k N} n N A n = {x R x = 1n }, n N n N és és A n = ; n N A n = {1}. n N Igaz az a), b), d) és e) állítás a) A B) A B) = A B B) = A = A; b) A B) B A) A B) = A A B) = A A) A B) = A B) = A B X = A B) C = C = C Y = B \ A Az adott halmazok R egy-egy egyenesével szemléltethetők. Emiatt: a) Ha A \ B = A, akkor az egyenesek párhuzamosak és nem esnek egybe, tehát a = c és b d. b) Ha A \ B =, akkor az egyenesek egybe esnek, tehát a = c és b = d. c) Ha A B = {0, 0)}, akkor a két egyenes az origóban metszi egymást, így a c és b = d = 0. d) Ha {1, 0), 0, 1)} A B), akkor két olyan egybeeső egyenesről van szó, amelyekre a = c = 1 és b = d = A bizonyítások a halmazokra tanult tulajdonságok felhasználásával könnyen elvégezhetők: a) A \ B C) = A B C = A B C) = A B C; b) A \ A B) = A A B = A A B) = A A) A B) = A \ B) = A \ B;

18 1.7 Útmutatások és megoldások 14 c) A \ B) A \ C) = A B) A C) = A B A) C = A B C) = A B C = = A \ B C); d) A \ B C) = A B C = A B C) = A B) A C) = A \ B) A \ C); e) A B C A C B = A B C) A C) B = A B C) A C) B = A B C, mivel A B C) B; f) Az egyenlőség bal oldala: A B A B = A B) A B) = A B) A ) A B) B ) = = A A) B A) A B) B B) = B A) A B) = B A) A B) = = A B) B A) = A \ B) B \ A) = A B. Az egyenlőség jobb oldala: A B A B = A B) A B) = A \ B) B \ A) = A B. Az egyenlőség jobb és bal oldalán álló kifejezések tehát egyenlőek, az állítás tehát igaz. g) Tekintsük az egyenlőség jobb oldalán álló kifejezést! A B) A C) = A B) \ A C) ) A C) \ A B) ) = = A B) A C) ) A C) A B) ) = = A B A) A B C) ) A C A) A C B) ) = = A B C) A C B) = A B C) C B) ) = = A B \ C) C \ B) ) = A B C) Alkalmazzuk a bal oldalon a De Morgan azonosságot, majd a disztributív törvényt: X A X A = X A) X A) = X A A) = B. Ebből X H = B, azaz X = B adódik. Azaz X = B Ha A = {x, y, z}, akkor PA) = {, {x}, {y}, {z}, {x, y}, {x, z}, {y, z}, {x, y, z} } A = {, {a}, {b}, {a, b}} és B = {, {b}, {c}, {b, c}}. a) A B = {, {a}, {b}, {c}, {a, b}, {b, c}}; b) A B = {, {b}}; c) A \ B = {{a}, {a, b}}; d) B \ A = {{c}, {b, c}}; e) A B = {{a}, {c}, {a, b}, {b, c}}.

19 1.7 Útmutatások és megoldások Mivel = 0, így P ) = 0 = 1, emiatt P P )) = 1 = és P P P ))) = = 4, azaz: a) P ) = { }; b) P P )) = {, { } } ; { c) P P P ))) =, { }, { { } }, {, { } }} Legyen H tetszőleges eleme a bal oldalon álló hatványhalmaznak, azaz H PA B). Ekkor nyilvánvaló, hogy H A B). Emiatt H A és H B, ahonnan H PA) és H PB) adódik, azaz H PA) PB)). Tehát PA B) PA) PB)). A fordított irányú tartalmazás a felhasznált kifejezések páronkénti ekvivalenciája miatt analóg módon adódik, tehát PA) PB)) PA B) szintén teljesül, azaz A B) B A) = Ha A = B, akkor PA B) = PA) PB)). A B) B A) = A A) A A) = A A, A B) \ B A) = A A) \ A A) = Ha A = {1; ; 3} és B = {; 3; 4}, akkor Tehát: A \ B = {1}, B \ A = {4}, A B = {1; ; 3; 4}, A B = {; 3; }. a) A \ B) B \ A) = {1, 4)}; b) A B) A B) = {1, ); 1, 3);, );, 3); 3, ); 3, 3); 4, ); 4, 3)}; c) A \ B) B A) = {1, ); 1, 3)}; d) B \ A) B A) = {4, 1); 4, ); 4, 3); 4, 4)} Az a) és c) esetben léteznek a feltételnek megfelelő A és B halmazok, míg a b) és d) esetben nem pl. a szorzathalmaz számossága legalább elemű halmazok esetén nem lehet prímszám).

20 1.7 Útmutatások és megoldások a) [0, 1] [0, 1] = {x, y) R 0 x 1, 0 y 1}; b) {0} 1, + ) = {0, y) R 1 < y}. A keresett halmaz egy olyan félegyenes, amely a 0, 1) pontból indul és az y tengely pozitív felével egyirányú. A 0, 1) pont nem eleme a halmaznak. c) [1, + ), 0); d) A Z Z szorzathalmaz a sík egész koordinátájú pontjainak halmaza.

21 1.7 Útmutatások és megoldások 17 e) Az N π, π) halmaz megszámlálhatóan végtelen párhuzamos nyílt szakaszból áll. f) R = a), d), e) előáll, a többi nem A kért halmazok megadásához célszerű először a relációt megadni halmazként. a) ρ = {4, 3); 5, ); 9, )}, tehát D ρ = {4; 5; 9}, R ρ = {3; ; }, ρ 1 = {3, 4);, 5);, 9)}; b) σ = {0, 0); 0, 3); 0, 5); 1, 0);, 0)}, tehát D σ = {0; 1; }, R σ = {0; 3; 5}, σ 1 = {0, 0); 3, 0); 5, 0); 0, 1); 0, )}; Megjegyzés: Látható, hogy D σ = A, R σ = B, azonban σ A B Adjuk meg a vizsgált relációkat halmazként! ρ 1 = {1, 3); 1, 5); 1, 7); 3, 5); 3, 7); 5, 7)}, ρ 3 = ρ 1 {1, 1); 3, 3); 5, 5); 7, 7)} és ρ = {3, 1); 5, 1); 5, 3); 7, 1); 7, 3); 7, 5)}, ρ 4 = ρ {1, 1); 3, 3); 5, 5); 7, 7)}.

22 1.7 Útmutatások és megoldások 18 a) D ρ1 = {1, 3, 5}, D ρ = {3, 5, 7}, D ρ3 = D ρ4 = A, R ρ1 = {3, 5, 7}, R ρ = {1, 3, 5}, R ρ3 = R ρ4 = A. b) ρ 1 = ρ 1 A A, ρ 1 ρ 3 és ρ ρ 4. c) ρ ρ 3 = A A a) D ρ = {1; ; 3; 4; 5} = A, R ρ = {1; ; 3; 4; 5} = A és továbbá D σ = {1; ; 3; 4}, R σ = {1; ; 4; 5} és b) Tekintsük először a σ relációt! ρ 1 = {, 1); 3, ); 1, 3); 5, 4); 4, 5)}, σ 1 = {1, 3);, 1); 4, 1); 4, ); 5, 4)}. σ = {1, 4)); 1, 5);, 5); 3, ); 3, 4)} Ennek megfelelően: σ ρ 1 = {1, ); 1, 4);, 4);, 5); 3, 5)} Határozzuk meg először a σ relációt! σ = {1, 3);, 5); 3, 5); 4, 3); 5, 1)} Mivel σ 3 = σ σ, így Tehát σ σ 3 = σ 3 = {1, 1);, 3); 3, 3); 4, 1); 5, 5)}. a) σ ρ) 1 meghatározásához először adjuk meg a σ ρ relációt! σ ρ = {1, 4);, 1); 3, 5); 4, 4); 5, 5)} Így: σ ρ) 1 = {4, 1); 1, ); 5, 3); 4, 4); 5, 5)}. b) Határozzuk meg a ρ σ relációt! ρ σ = {1, 1);, 5); 3, ); 4, ); 5, 5)} A feladat a) részében már meghatároztuk a σ ρ relációt, tehát: σ ρ) ρ σ) = {5, 5)}.

23 1.7 Útmutatások és megoldások Az A = {a, b, c} halmazon az alábbi öt ekvivalenciareláció adható meg: R 1 = {a, a); b, b); c, c)}; R 3 = {a, a); b, b); c, c); a, c); c, a)}; R = {a, a); b, b); c, c); a, b); b, a)}; R 4 = {a, a); b, b); c, c); b, c); c, b)}; R 5 = A A a) ρ 1 ekvivalenciareláció. b) ρ ekvivalenciareláció. c) ρ 3 ekvivalenciareláció. d) ρ 4 parciális rendezés. A ρ 4 reláció nem rendezés, mert pl. 3, 5) / ρ 4 és 5, 3) / ρ 4, azaz ρ 4 nem lineáris. e) ρ 5 reflexív, tranzitív, nem antiszimmetrikus mert pl. 3, 3) ρ 5 és 3, 3) ρ 5, de 3 3), nem szimmetrikus, nem lineáris reláció. f) ρ 6 ekvivalenciareláció. g) ρ 7 parciális rendezés. h) ρ 8 ekvivalenciareláció. i) φ ekvivalenciareláció. j) ψ parciális rendezés A σ ρ) A A, illetve a σ ρ) A A relációkat az alábbiak szerint értelmezzük x, y A): xσ ρ)y xσy és xρy, illetve xσ ρ)y xσy vagy xρy. a) Legyenek σ és ρ szimmertikus relációk. Ekkor bármely x, y) σ esetén y, x) σ is teljesül, továbbá bármely r, t) ρ esetén t, r) ρ is fennáll. Tekintsünk egy tetszőleges a, b) elempárt a σ ρ) relációból. Az értelmezés szerint ekkor a, b) σ és a, b) ρ egyaránt fennáll. Mivel σ és ρ szimmetrikusak, így b, a) σ ρ) azonnal adódik. Legyen most c, d) σ ρ) tetszöleges. A definíció szerint cσd vagy cρd teljesül. Ha cσd, akkor σ szimmetriája miatt dσc is teljesül, így d, c) σ ρ). Ha c, d) / σ, akkor cρd teljesül. Mivel ρ szimmetrikus, ezért dρc is fennáll, emiatt pedig d, c) σ ρ), azaz σ ρ) szimmetrikus.

24 1.7 Útmutatások és megoldások 0 b) Legyen x, y) ρ és y, z) ρ. ρ tranzitivitása miatt x, z) ρ adódik. Az inverz reláció definíciója szerint ekkor y, x) ρ 1, z, y) ρ 1, z, x) ρ 1. Tehát z, y) ρ 1 és y, x) ρ 1 esetén z, x) ρ 1 is fennáll, azaz ρ tranzitivitásából következik a ρ 1 reláció tranzitivitása. c) Legyen x, y) ρ σ) és y, z) ρ σ). Az értelmezés szerint ekkor x, y) ρ, y, z) ρ, továbbá x, y) σ, y, z) σ. ρ és σ tranzitivitása miatt x, z) ρ és x, z) σ teljesül, következésképpen x, z) ρ σ), tehát ρ σ) tranzitív Legyen a, d) H G F ). Ekkor létezik olyan c C, hogy c, d) H és a, c) G F ). Ez utóbbi miatt létezik olyan b B, hogy a, b) F és b, c) G. Viszont c, d) H és b, c) G miatt b, d) H G), így a, d) H G) F. Megfordítva: Ha a, d) H G) F, akkor létezik b B, hogy a, b) F és c, d) H G). Emiatt létezik olyan c C, hogy b, c) G és c, d) H. Így a, c) G F ), ahonnan adódik, hogy a, d) H G F ) a) X-nek nincs legkisebb eleme, max X = 1. b) X alsó korlatainak halmaza:, 0]; X felső korlatainak halmaza: [1, + ), sup R X = 1, inf R X = a) sup R X = 1, inf R X = 0. b) sup R X = 1, inf R X = 1. c) sup R X = 0, inf R X = Tekintsük például az halmazt és a A = {q Q 3 q 3} Q B = {q Q 3 q 3} A végtelen részhalmazt. Ekkor min A = 3, max A = 3, de inf A B és sup A B nem létezik, hiszen a B halmaz esetén az alsó korlátok halmazának nincs maximális eleme, a felső korlátok halmazának pedig nincs minimális eleme Az a), c) és d) relációk függvények, mert a relációkhoz tartozó rendezett elempárok első komponensei egymástól különbözőek. A b) és e) relációk nem függvények A ϕ 1, a ϕ 3 és a ϕ 6 relációk függvények.

25 1.7 Útmutatások és megoldások a) ρ nem függvény, mert pl., 4) ρ és, 6) ρ is fennáll. b) f függvény, ugyanis bármely p 1, p P esetén, ha p 1 p, akkor p 1 = p, azaz f a P halmaz identikus függvénye, amely nyilvánvalóan invertálható. c) ρ = {0, 1); 0, 3); 0, 5)}, tehát ρ nem függvény. d) σ = {1, 0); 3, 0); 5, 0)}, tehát σ függvény. e) ϕ nem függvény, mert pl. 38, 38) ϕ és 38, 83) ϕ. f) f invertálható függvény Az alábbi négy függvény adható meg: f 1 = {0, 0); 1, 1)}, f = {0, 1); 1, 0)}, f 3 = {0, 0); 1, 0)}, f 4 = {0, 1); 1, 1)}. Az f 1 és f függvények injektívek és szűrjektívek, azaz bijektívek. f 3 és f 4 nem injektív és nem szűrjektív függvények a) Az f 1 függvény injektív és szűrjektív, azaz bijektív. b) Az f függvény nem injektív, de szűrjektív. c) Az f 3 függvény injektív, de nem szűrjektív. R f3 = R + {0}. d) Az f 4 függvény nem injektív és nem szűrjektív. R f4 = [ 1, 1] a) Az f 1 függvény bijektív, azaz invertálható. f 1 1 : R R, f 1 1 x) = x 1. b) Az f függvény nem bijektív, így nem létezik inverze. c) Az f 3 függvény bijektív, tehét van inverze. d) Az f 4 függvény bijektív, azaz invertálható. f 1 3 : R \ {0} R \ {0}, f 1 3 x) = 1 x. f 1 4 : R \ { 1} R \ { 1}, f 1 4 x) = 1 x 1 + x.

26 1.7 Útmutatások és megoldások A függvény nem injektív, mert f1) = f) = 1. Így a függvény nem bijektív a) Az f függvény egy bijektív leszűkítése: f [0,+ ) : [0, + ), 9], f [0,+ ) x) = 9 x 4. b) A leszűkített függvény inverze: f [0,+ ) ) 1 :, 9] [0, + ), f [0,+ ) ) 1 x) = 4 9 x a) Az f függvény egy bijektív leszűkítése: f [0,9] : [0, 9] [ 1, ], f [0,9] x) = 3 x 1. b) A leszűkített függvény inverze: f [0,9] ) 1 : [ 1, ] [0, 9], f [0,9] ) 1 x) = x a) Az f függvény egy bijektív leszűkítése: f [0,1] : [0, 1] [0, 1], f [0,1] x) = 1 x. b) A leszűkített függvény inverze: f [0,1] ) 1 : [0, 1] [0, 1], f [0,1] ) 1 x) = 1 x a) ϕ ϕ)x) = x 4, ψ ψ)x) = x, ϕ ψ)x) = x = 4 x, ψ ϕ)x) = x. b) ϕ ϕ)x) = x, ψ ψ)x) = coscos x), ϕ ψ)x) = 1 cos x, ψ ϕ)x) = cos 1 x. c) ϕ ϕ)x) = ϕx), ψ ϕ)x) = ψx), ψ ψ)x) = ϕ ψ)x) = 0.

27 1.7 Útmutatások és megoldások a) f : R + R, fx) = log x; b) g : 1, 0] [1, + ), gx) = 1 x ; c) h : [0, 1] [5, 9], hx) = 4x f reflexív, mert Af A nyilvánvalóan bármely A A esetén fennáll. f szimmetrikus is, hiszen ha bármely A, B A esetén AfB, azaz A B fennáll, akkor B A is teljesül, azaz Bf A következik. f tranzitivitásának megmutatásához tekintsünk olyan A, B, C A halmazokat, amelyekre AfB és BfC. Ekkor A B és B C miatt A C azonnal adódik, azaz AfC teljesül. f mindezek értelmében ekvivalenciareláció a) f 1 : [0, 1) [0, + ), b) f : 0, 1) a, b), f 1 x) = tg πx ; f x) = a + b a)x; c) f 3 : [0, 1) a, + ), f 3 x) = a x ; d) f 4 : a, + ), a), f 4 x) = x; e) f 5 : 0, 1) R, f 5 x) = 1 x + 1 x Legyen a < b, c < d tetszőleges valós számok. [a, b] [c, d], mert az függvény bijekció. f : [a, b] [c, d], fx) = d c cb ad x + b a b a

28 4 A valós számok halmaza.1 Indirekt bizonyítások.1.1. Bizonyítsuk be, hogy 5 irracionális szám!.1.. Bizonyítsuk be, hogy 35 irracionális szám!.1.3. Bizonyítsuk be, hogy 45 irracionális szám!.1.4. Bizonyítsuk be, hogy + 5 irracionális szám!.1.5. Igazoljuk, hogy négy irracionális szám között mindig van három, amelyeknek az összege is irracionális!.1.6. Lehet e a 3 - nem feltétlenül különböző - egész kitevős hatványai közül ezernek az összege éppen 3333?.1.7. Bizonyítsuk be, hogy ha az } 1111 {{... 1}, azaz n darab 1-esből álló szám prím, akkor n is prím. n Igaz-e az állítás megfordítása?. A teljes indukció..1. Igazoljuk, hogy bármely n N esetén: n = nn + 1)n + 1) Bizonyítsa be teljes indukció segítségével a következő egyenlőségeket! a) nn + 1) = n n + 1 ; b) nn + 1) = 1 nn + 1)n + ); 3 c) ) n 1 n n 1 nn + 1) = 1) ; n d) k 1) = n4n 1) ; 3 k=1 e) f) n n k 3 = k= k) ; k=1 ) )... 1 ) 1 = n + n + 1) n + ; g) n 1 = n 1;

29 . A teljes indukció 5 h) 1! 1 +! n! n = n + 1)! 1; i) 1 1! 3!... n 1 = 1 n! n!...3. Bizonyítsa be teljes indukcióval, hogy az alábbi egyenlőtlenségek igazak! a) n > n, ha n 5 és n N; b) 3 n > n 3, ha n 4 és n N; c) 1 n + 1 n > 1, ha n és n N; n 1 d) n n n > 13, ha n és n N; 4 e) > n, ha n és n N; 1 n f) n)! n!) > 4n, ha n és n N. n Bizonyítsa be teljes indukcióval, hogy az alábbi oszthatósági tulajdonságok teljesülnek! a) 4 7 n + 3 n+1 ; b) 3 4 n + 5; c) 9 4 n + 15n 1; d) 5 4n+1 + 3; e) 7 3 n+1 + n+. f) 8 5 n + 3 n 1 + 1; g) 10 n 5 5n 3 + 4n...5. Bizonyítsa be, hogy n darab egyenes a síkot legfeljebb n + n + részre osztja!..6. Tegyük fel, hogy a + 1 a egész. Bizonyítsa be, hogy an + 1 is egész n N, a R)! an..7. Tudjuk, hogy a + b = és a + b = 4. Bizonyítsa be, hogy ha n > és n N, a, b R! a n + b n = n,..8. Bizonyítsa be, hogy bármely n N esetén fennáll az alábbi egyenlőség!..9. Igazoljuk a + 1) + 1 )... n + 1 ) = n+1 1 cos x cos x cos 4x... cos n x = sin n+1 x, sin x 0, n N {0}) n+1 sin x trigonometrikus azonosságot!

30 .3 A binomiális tétel 6.3 A binomiális tétel Az alábbi feladatokban a hatványok binomiális tétel szerinti kifejtésében k-adik tagon k = 0, 1,..., n) azt a tagot értjük, amelynek együtthatója n k) Mutassa meg, hogy n, k N {0} és k n esetén fennáll az ) ) ) n n n = k k + 1 k + 1 összefüggés!.3.. Bizonyítsa be teljes indukcióval a Newton-féle binomiális tételt!.3.3. Az 1 + ) n kifejezés binomiális tétel szerinti kifejtésének második tagja 110. Mekkora a kifejtés utolsó előtti tagja?.3.4. Fejtse ki a binomiális tétel alapján az x y 3 ) 5 hatványt!.3.5. Határozza meg az a x x) 16 hatvány binomiális tétel szerinti kifejtésének középső tagját!.3.6. Írja fel a a + ) 1 a hatvány binomiális tétel szerinti kifejtésének negyedik tagját! Számítsa ki a x+ 4 x) n hatványkitevőjét, ha a binomiális tétel szerinti kifejtésének második tagjában x 5 szerepel! ) x Mekkora x értéke, ha a + kifejezés binomiális tétel szerinti kifejtésének középső x tagja 5? Oldja meg a feladatot Pascal-háromszög felhasználásával is! Számítsa ki az Ex) = x x) 1 kifejezés binomiális tétel szerinti kifejtésének azon tagját, amely nem tartalmazza x-et! Adott F x) = ) 17 x 3. Határozza meg binomiális tétel szerinti kifejtésének azon x tagját, amelyik nem tartalmazza x-et! A x + ) 1 x hatvány binomiális tétel szerinti kifejtésének hányadik tagjában lesz 4 3 x együtthatója 7? ) A 3 x y y + 3 hatvány binomiális tétel szerinti kifejtésének hányadik tagjában lesz x x és y kitevője egyenlő egymással? ) Számítsa ki a n n összeget! k k=0

31 .4 Nevezetes egyenlőtlenségek Az x x ) m binomiális tétel szerinti kifejtésében az együtthatók összege 18. Írja x fel a kifejtésnek azt a tagját, amelyben x ötödik hatványon szerepel! Határozza meg az alábbi összegeket! ) ) ) ) n n n n a) n ; 1 3 n ) ) ) ) ) n n n n n b) ) n ; n ) ) ) ) n n n n c) n + 1) ; 0 1 n ) ) ) ) n n n n d) n 1). 3 4 n.4 Nevezetes egyenlőtlenségek.4.1. Igazolja a Bernoulli-egyenlőtlenséget! Mutassa meg, hogy ha n N és x > 1, akkor 1 + x) n 1 + nx, és egyenlőség csak akkor áll fenn, ha vagy n = 1 vagy n > 1 esetén) x = Igazolja, hogy bármely a, b R + {0} esetén teljesülnek az alábbi egyenlőtlenségek! a) ab a + b ; ) a + b b) a + b Bizonyítsa be, hogy az azonos kerületű téglalapok közül a négyzet a legnagyobb területű!.4.4. Bizonyítsuk be, hogy bármely derékszögű háromszög befogóinak összege sosem nagyobb, mint átfogójának -szerese!.4.5. Bizonyítsa be, hogy bármely α hegyesszögre tgα + ctgα Bizonyítsa be, hogy minden olyan pozitív a, b számra, amelyre a + b = 1, igaz a következő egyenlőtlenség: a + a) 1 + b + 1 ) 5 b.

32 .4 Nevezetes egyenlőtlenségek Bizonyítsa be, hogy bármely három a, b, c R számra érvényes a következő egyenlőtlenség:.4.8. Milyen x értékre lesz az a + bx4 x a + b)b + c)c + a) 8abc. a, b R + ) tört értéke a legkisebb?.4.9. Legyen n N és x i, y i R i = 1,,..., n). Bizonyítsa be, hogy ) x1 + x x n x 1 + x x n. n n Igazolja a Cauchy-Bunyakovszkij-Schwarz-féle egyenlőtlenséget, azaz mutassa meg, hogy n N és x i, y i R i = 1,,..., n) esetén fennáll a egyenlőtlenség! n ) n x i y i i=1 i=1 x i ) n Legyen n N és x i, y i R i = 1,,..., n). Bizonyítsa be, hogy n x i + y i ) n x i + n y i. i= Bizonyítsa be, hogy tetszőleges x i, p i R + i = 1,,..., n) számok esetén érvényes a következő egyenlőtlenség: p 1 x 1 + p x p n x n ) p 1 + p p n )p 1 x 1 + p x p n x n) Igazolja, hogy tetszőleges x 1, x, x 3 R + {0} esetén fennáll a következő egyenlőtlenség: i=1 i=1 y i i=1 1 x x x 3 ) 1 x x x 3. )

33 .5 Útmutatások és megoldások 9.5 Útmutatások és megoldások.1.1. Tegyük fel, hogy 5 racionális. Ekkor felírható két egész szám hányadosaként: 5 = p q, ahol p, q Z, q 0 és p, q) = 1. A felírt egyenlőség mindkét oldalát négyzetre emelve, majd q -tel átszorozva kapjuk, hogy 5q = p. Vizsgáljuk meg a két oldalon álló számok prímtényezős felbontását! Mivel négyzetszám prímtényezős felbontásában minden kitevő páros, így a jobb oldalon 5 páros kitevőjű hatványa áll, a bal oldalon pedig páratlan. Ez ellentmond a számelmélet alaptételének, tehát ellentmondásra jutottunk. 5 nem racionális..1.. A bizonyítás a.1.1. állítás igazolásához hasonló, itt is vizsgálhatjuk az 5 kitevőjét a két oldalon A bizonyítás a.1.1. és a.1.. állítások igazolásához hasonló, itt is vizsgálhatjuk az 5 kitevőjét a két oldalon Itt az indirekt feltevés és a négyzetre emelés után 10-ről kell az előzőekhez hasonlóan igazolni, hogy irracionális Tegyük fel, hogy nincs, azaz bármely három irracionális szám összege racionális. Jelölje a négy irracionális számot a, b, c és d. A feltétel szerint a + b + c = r 1, a + c + d = r, a + b + d = r 3, b + c + d = r 4, ahol r 1, r, r 3, r 4 Q. Négy racionális szám összege racionális, tehát r 1 + r + r 3 + r 4 = 3a + b + c + d) = r 5, r 5 Q). Nyilvánvaló, hogy szintén racionális szám. Ekkor azaz a + b + c + d = r 5 3 = r 6 a + b + c + d = r 1 + d = r 6, d = r 6 r 1, tehát d Q, mert előáll két racionális szám különbségeként. Ellentmondásra jutottunk. Tehát négy irracionális szám között mindig van három, amelyeknek az összege is irracionális.

34 .5 Útmutatások és megoldások Tegyük fel, hogy lehetséges a feladat állítása. Jelölje a legkisebb kitevőjű hatványt 3 a, a Z). A felírásban szereplő összes többi hatvány 3 a 3 b, b N) alakú. A hatványok összege megegyezik egy szorzattal, amelynek az egyik tényezője 3 a, a másik pedig 1000 darab páratlan szám összege, ami páros. Ha a nem negatív, akkor a szorzat páros szám, mert egyik tényezője páros. Ha a negatív egész, akkor egy páros számot osztunk egy páratlan számmal, tehát eredményül vagy páros számot kapunk, vagy nem egész számot. Így ellentmondásra jutottunk, mert 3333 nem lehet a hatványok összege Indirekt módon bizonyítunk. Tegyük fel, hogy n nem prím. Ekkor n = 1 vagy n = ab, ahol a > 1, b > 1. n = 1-re a szám nem prím, tehát az állítás erről nem mond semmit. Ha n = ab, ahol a > 1, b > 1, akkor osszuk az n darab 1-es számjegyből álló számot b darab olyan számra, amelyek mindegyike éppen a darab 1-esből áll. Az a darab 1-esből álló számot jelölje t t > 1): n { }} { 111 } {{... 1} 111 } {{... 1} } {{... 1} a a a t = } 111 {{... 1}. a Az eredeti n jegyű szám felírható a következő alakban: 111 } {{... 1} = t a + 10 a ab 1)), n ahol a második tényező is nyilvánvalóan nagyobb, mint 1. A vizsgált szám tehát nem lehet prím, mert két egynél nagyobb természetes szám szorzata. Ellentmondásra jutottunk, ezért az eredeti állítás igaz. A megfordítás nem igaz, mert pl. n = 3 esetén 111 = Teljes indukcióval bizonyítunk. 1) Könnyű ellenőrizni, hogy az állítás n = 1 esetén igaz. ) Tegyük fel, hogy az állítás k N esetén teljesül, azaz k = kk + 1)k + 1). 6 3) Bizonyítunk k + 1)-re. Bizonyítandó, hogy k + k + 1) = k + 1)k + )k + 3). 6 Tekintsük a bizonyítandó állítás bal oldalán álló kifejezést és alkalmazzuk az indukciós feltevést! k + k + 1) kk + 1)k + 1) = + k + 1) = 6

35 .5 Útmutatások és megoldások 31 = k + 1)k + 7k + 6) k + 1)k + )k + 3) =. 6 6 Az állítást tehát igazoltuk, mert a bizonyítandó állítás jobb oldalán álló összefüggéshez jutottunk.... Teljes indukcióval bizonyítjuk a feladat összes állítását. a) Három lépésben igazoljuk az állítást. 1) Könnyű ellenőrizni, hogy az állítás n = 1 esetén igaz. ) Tegyük fel, hogy az állítás k N esetén teljesül, azaz kk + 1) = 3) Bizonyítunk k + 1) N-re. Bizonyítandó, hogy k k k + 1)k + ) = k + 1 k +. Tekintsük a bizonyítandó állítás bal oldalán álló kifejezést és alkalmazzuk az indukciós feltevést! k + 1)k + ) = k k k + 1)k + ) = kk + ) + 1 = k + 1)k + ) = k + k + 1 k + 1)k + ) = k + 1) k + 1)k + ) = k + 1 k +. Az állítást igazoltuk, mert a bizonyítandó állítás jobb oldalán álló összefüggéshez jutottunk. b) Három lépésben bizonyítunk. 1) Könnyű ellenőrizni, hogy az állítás n = 1 esetén igaz. ) Tegyük fel, hogy az állítás k N esetén teljesül, azaz kk + 1) = 1 kk + 1)k + ). 3 3) Bizonyítunk k + 1) N-re. Bizonyítandó, hogy kk + 1) + k + 1)k + ) = 1 k + 1)k + )k + 3). 3 Tekintsük a bizonyítandó állítás bal oldalán álló kifejezést és alkalmazzuk az indukciós feltevést! k + 1)k + ) = 1 kk + 1)k + ) + k + 1)k + ) = 3 ) 1 = k + 1)k + ) 3 k + 1 = 1 k + 1)k + )k + 3). 3 Az állítást igazoltuk, mert a bizonyítandó állítás jobb oldalán álló összefüggéshez jutottunk.

36 .5 Útmutatások és megoldások 3 c) Ebben az esetben is három lépésben bizonyítunk. d) Az e) Az 1) Könnyen ellenőrizhető, hogy az állítás n = 1 esetén igaz. ) Tegyük fel, hogy az állítás k N esetén teljesül, azaz ) k 1 k k 1 kk + 1) = 1). 3) Bizonyítunk k + 1) N-re. Bizonyítandó, hogy ) k k + 1) k k + 1)k + ) = 1). Alkalmazzuk az indukciós feltevést! Az állítás igaz ) k k + 1) k 1 kk + 1) = 1) + 1) k k + 1) = = 1) k k + 1) kk + 1) k k + 1)k + ) = 1) n 1) = n4n 1) 3 egyenlőséget kell igazolni, amely az előző bizonyítások mintájára könnyen elvégezhető n 3 = n n + 1) 4 egyenlőséget kell igazolni. Teljes indukcióval három lépésben könnyen igazolható az állítás. f) Három lépésben teljes indukcióval bizonyítunk. 1) Könnyű ellenőrizni, hogy az állítás n = 1 esetén igaz. ) Tegyük fel, hogy az állítás k N esetén teljesül, azaz 1 1 ) 1 1 ) ) k + 1) 3) Bizonyítunk k + 1) N-re. Bizonyítandó, hogy 1 1 ) 1 1 ) ) k + ) = k + k +. = k + 3 k + 4. Tekintsük a bizonyítandó állítás bal oldalán álló kifejezést és alkalmazzuk az indukciós feltevést! 1 1 ) 1 1 ) ) = k + ) 4 9 k + ) k = k + )

37 .5 Útmutatások és megoldások 33 = k + k + 1) k + ) 1 k + ) = k + 4k + 3 k + 1)k + ) = k + 3 k + 4. Az állítást igazoltuk, mert a bizonyítandó állítás jobb oldalán álló összefüggéshez jutottunk. g) Három lépésben igazoljuk az állítást. 1) Könnyű ellenőrizni, hogy az állítás n = 1 esetén igaz. ) Tegyük fel, hogy az állítás k N esetén teljesül, azaz k 1 = k 1. 3) Bizonyítunk k + 1) N-re. Bizonyítandó, hogy k = k+1 1. Tekintsük a bizonyítandó állítás bal oldalán álló kifejezést és alkalmazzuk az indukciós feltevést! Az állítást igazoltuk k 1 + k = k 1 + k = k 1 = k+1 1. h) Három lépésben igazoljuk ezt az állítást is. 1) Könnyű ellenőrizni, hogy az állítás n = 1 esetén igaz. ) Tegyük fel, hogy az állítás k N esetén teljesül, azaz Bevezetjük az jelölést. A feltétel értelmében: 1! 1 +! k! k = k + 1)! 1 S k = 1! 1 +! k! k S k = k + 1)! 1. 3) Bizonyítunk k + 1) N-re. Bizonyítandó, hogy azaz 1! 1 +! k! k + k + 1)! k + 1) = k + )! 1, S k+1 = k + )! 1. Tekintsük a bizonyítandó állítás bal oldalán álló kifejezést és alkalmazzuk az indukciós feltevést! azaz +k + 1)! k + 1) 1! } 1 +! {{ k! k } = k + 1)! 1 + k + 1)! k + 1), } S k {{ } S k+1 Az állítást tehát igazoltuk. S k+1 = k + 1)!k + ) 1 = k + )! 1.

38 .5 Útmutatások és megoldások 34 i) Itt is teljes indukcióval bizonyítunk három lépésben. 1) Könnyen ellenőrizhető, hogy az állítás n = 1 esetén igaz. ) Tegyük fel, hogy az állítás k N esetén teljesül, azaz Vezessük be az jelölést! 1 1! 3!... k 1 k! = 1 k!. S k = 1 1! 3!... k 1 k! 3) Bizonyítunk k + 1) N-re. Bizonyítandó, hogy azaz 1 1! 3!... k 1 k! S k+1 = k k + 1)! = 1 k + 1)!, 1 k + 1)! Tekintsük a bizonyítandó állítás bal oldalán álló kifejezést és alkalmazzuk az indukciós feltevést! 1 1! 3!... k 1 k = 1 } {{ k! } k + 1)! k! k k + 1)!, azaz Az állítást igazoltuk. S k } {{ } S k+1 S k+1 = k + 1 k k + 1)! = 1 k + 1)!...3. Valamennyi egyenlőtlenség bizonyítható teljes indukcióval. a) Három lépésben igazoljuk az állítást. 1) n = 5 esetén az állítás igaz, mert 5 > 5 3 > 5). ) Tegyük fel, hogy az állítás k N esetén teljesül, vagyis k > k. 3) Bizonyítunk k + 1)-re. Bizonyítandó, hogy k+1 > k + 1). Induljunk ki a felírt egyenlőtlenség bal oldalából és alkalmazzuk az indukciós feltevést! Megmutatjuk, hogy azaz k+1 = k > k. k > k + 1), k > k + 1. Ha k > 4, akkor k > 4k > k + 1. Az állítás tehát igaz.

39 .5 Útmutatások és megoldások 35 b) Három lépésben bizonyítunk. 1) n = 4 esetén az állítás igaz, mert 3 4 > > 64). ) Tegyük fel, hogy az állítás k N esetén teljesül, vagyis 3 k > k 3. 3) Bizonyítandó, hogy 3 k+1 > k + 1) 3, azaz 3 3 k > k 3 + 3k + 3k + 1. Az indukciós feltétel miatt Azt kell tehát belátnunk, hogy 3 3 k > 3k 3. 3k 3 > k 3 + 3k + 3k + 1, azaz k 3 > 3k + 3k + 1. Figyelembe véve, hogy k > 3, adódik, hogy k 3 > 3k, továbbá Emiatt Az állítás igaz. k 3 = k k > 9k > 3k + 1. k 3 = k 3 + k 3 > 3k + 3k + 1. c) Itt is három lépésben végezzük el a bizonyítást. Alkalmazzuk az jelölést! 1) n = esetén az állítás igaz, mert S n = 1 n + 1 n n S = = 13 1 > 1. ) Tegyük fel, hogy az állítás k N esetén teljesül, azaz S k > 1.

40 .5 Útmutatások és megoldások 36 3) Bizonyítunk k + 1)-re. Bizonyítandó, hogy S k+1 > 1. Könnyen belátható, hogy S k+1 = S k + 1 k k + k k. Az indukciós feltételt alkalmazva adódik, hogy Már csak azt kell belátni, hogy mert ekkor S k+1 > k k + k k. 1 k k + k k, S k+1 > 1 is teljesül. Helyettesítsük a felírt egyenlőtlenség bal oldalán álló k+1 tagú összeg minden tagját az összegben szereplő legkisebb taggal: 1 k k + k + 1 > k + 1 k + k + 1 = k + 1 k + k + k + 1. Alkalmazzuk most a k feltételből adódó k > k + 1 egyenlőtlenséget: k + 1 k + k + k + 1 > k + 1 k + k + k = k + 1 kk + 1) = 1 k, azaz 1 k k + k k teljesül, így az eredeti állítás is igaz. d) Három lépésben bizonyítunk. 1) n = esetén az állítás igaz, mert = 7 1 = 14 4 > ) Tegyük fel, hogy az állítás k N esetén teljesül, azaz 1 k k k > ) Bizonyítunk k + 1) N-re. Bizonyítandó, hogy 1 k k k + 1) > Ehhez azt kell igazolni, hogy a kimaradó és az újonnan hozzávett tagok különbsége pozitív. Ez igaz, mert 1 k k + 1 k + 1 = 1 k k + = 1 k + 1)k + ) > 0.

41 .5 Útmutatások és megoldások 37 e) Három lépésben igazoljuk az állítást. 1) Az állítás n = esetén igaz, mert >. ) Tegyük fel, hogy az állítás k N esetén teljesül, azaz > k. 1 k 3) Bizonyítunk k + 1) N-re. Bizonyítandó, hogy Alkalmazzuk az indukciós feltételt! > k k k + 1 > k + 1 k + 1 = k k k + 1. Nyilvánvaló, hogy k + 1 > k k N), így k k k k + 1 > = k + 1. k + 1 k + 1 Az állítás tehát igaz. f) Három lépésben igazoljuk az állítást. 1) Az állítás n = esetén igaz, mert 4! 4 = 6 = 18 3 > ) Tegyük fel, hogy az állítás k N esetén teljesül, azaz k)! k!) > 4k k + 1 3) Bizonyítunk k + 1) N-re. Bizonyítandó, hogy k + 1))! k + 1)!) > 4k+1 k +. Alakítsuk át a bal oldalon álló törtet és alkalmazzuk az indukciós feltételt! k + )! k + 1)!) = k)! k + 1) k!) k + 1 4k k + 1) k + 1 k + 1.

42 .5 Útmutatások és megoldások 38 Nyilvánvaló, hogy mert 4 k k + 1) k + 1 k + 1 Az állítást tehát igazoltuk...4. Az összes állítás teljes indukcióval igazolható. a) Három lépésben igazoljuk az állítást. = 4k+1 k + )k + 1) > 4k+1 k + k + 1) k +, k + )k + 1) k + 1) = k + 5k + k + 4k + > 1. 1) n = 1 esetén az állítás igaz, mert = 16 = 4 4. ) Tegyük fel, hogy az állítás k N esetén teljesül, azaz 4 7 k + 3 k+1. 3) Bizonyítunk k + 1)-re. Bizonyítandó, hogy 4 7 k k+. Alakítsuk át az állításban szereplő kifejezést: 7 k k+ = 7 7 n n n+1 = 77 n + 3 n+1 ) } {{ } 4 3n+1 } {{ }. Az indukciós feltétel miatt 4 77 n + 3 n+1 ). Nyilvánvaló, hogy n+1, így 4 77 n + 3 n+1 ) 4 3 n+1, amiből azonnal adódik a bizonyítandó állítás. b) Három lépésben igazoljuk az állítást. 1) n = 1 esetén az állítás igaz, mert = 9 = 3 3. ) Tegyük fel, hogy az állítás k N esetén teljesül, azaz 3 4 k ) Bizonyítunk k + 1) N-re. Bizonyítandó, hogy 3 4 k Alakítsuk át az állításban szereplő kifejezést: 4 k = 4 4 k + 5 = } 4 k {{ + 5 } + } 3 {{ 4k }. Az indukciós feltétel miatt 3 4 k + 5. Nyilvánvaló, hogy k, így azonnal adódik a bizonyítandó állítás. c) Három lépésben igazoljuk az állítást. 1) n = 1 esetén az állítás igaz, mert = 18 = 9. ) Tegyük fel, hogy az állítás k N esetén teljesül, azaz 9 4 k + 15n 1.

43 .5 Útmutatások és megoldások 39 3) Bizonyítunk k + 1) N-re. Bizonyítandó, hogy 9 4 k k Alakítsuk át az állításban szereplő kifejezést: 4 k k + 14 = 4 4 k + 15k + 14 = 4 k + 15k 1 } {{ } + 3 4k + 5) } {{ }. Az indukciós feltétel miatt 9 4 k + 15k 1. A..4. feladat b) részében igazoltuk, hogy 3 4 k + 5, így k + 5). Tehát Az állítás igaz. d) Három lépésben igazoljuk az állítást. 9 4 k + 15k k + 5). 1) n = 1 esetén az állítás igaz, mert = = 35 = 5 7. ) Tegyük fel, hogy az állítás k N esetén teljesül, azaz 5 4k ) Bizonyítunk k + 1) N-re. Bizonyítandó, hogy 5 4k Alakítsuk át az állításban szereplő kifejezést: 4k = 16 4k = } 4k+1 {{ + 3 } k+1 } {{ }. Az indukciós feltétel miatt 5 4k Nyilvánvaló, hogy k+1. Tehát Az állítás igaz. 5 4k e) Három lépésben igazoljuk az állítást. 1) n = 1 esetén az állítás igaz, mert = = 35 = 7 5. ) Tegyük fel, hogy az állítás k N esetén teljesül, azaz 7 3 k+1 + k+.

44 .5 Útmutatások és megoldások 40 3) Bizonyítunk k + 1) N-re. Bizonyítandó, hogy 7 3 k+3 + k+3. Alakítsuk át az állításban szereplő kifejezést: 3 k+3 + k+3 = 9 3 k+1 + k+ = 3 k+1 + k+ ) } {{ } + 7 3k+1 } {{ }. Az indukciós feltétel miatt 7 3 k+1 + k+ ). Nyilvánvalóan teljesül, hogy Tehát 7 3 k+3 + k+3. Az állítás igaz. f) Itt is három lépésben igazoljuk az állítást k+1. 1) n = 1 esetén az állítás igaz, mert , azaz 8 8. ) Tegyük fel, hogy az állítás k N esetén teljesül, azaz tehát felírható az alábbi egyenlőség: 8 5 k + 3 k 1 + 1, 5 k + 3 k = 8A, ahol A Z +. Átrendezve: 5 k = 8A 3 k ) Bizonyítunk k + 1) N-re. Bizonyítandó, hogy Legyen Behelyettesítve a feltételt: 8 5 k k + 1. B = 5 k k + 1 = 5 5 k n B = 58A 3 k 1 1) k = 40A 43 k 1 + 1). 3 k 1 mindig páratlan, ezért a zárójeles kifejezés mindig páros. Ennek négyszerese osztható 8-cal. 40A nyilvánvalóan osztható 8-cal, tehát Az állítás igaz. g) Három lépésben igazoljuk az állítást. 8 B. 1) n = 1 esetén az állítás igaz, mert , azaz 10 0.

45 .5 Útmutatások és megoldások 41 ) Feltesszük, hogy az állítás k N esetén igaz, vagyis így felírható az alábbi egyenlőség: ahol A Z k 5 5k 3 + 4k, k 5 5k 3 + 4k = 10A, 3) Bizonyítunk k + 1) N-re. Bizonyítandó, hogy Legyen 10 k + 1) 5 5k + 1) 3 + 4k + 1). B = k + 1) 5 5k + 1) 3 + 4k + 1) = k 5 + 5k 4 + 5k 3 5k 6k. Átalakítva és behelyettesítve a feltételt: vagyis B = } k 5 5k {{ 3 + 4k } +5k k 3 5k 10k, 10A B = 10A + 5k 1)kk + 1)k + ). A jobb oldalon a második kifejezésben négy szomszédos szám szorzata áll, közöttük biztosan van 3-mal osztható és van két páros szám is. Ezen páros számok egyike 4-gyel osztható, ezért k 1)kk + 1)k + ), azaz Tehát Az állítás igaz...5. A bizonyítás teljes indukcióval történik: 10 5k 1)kk + 1)k + ) A + 5k 1)kk + 1)k + ), 10 B. 1) Egy egyenes a síkot két részre osztja. n = 1-et behelyettesítve adódik, az összefüggés tehát n = 1 esetén helyes. = ) Tegyük fel, hogy n darab egyenes a síkot legfeljebb n + n + részre osztja.

46 .5 Útmutatások és megoldások 4 3) Igazoljuk, hogy n + 1) egyenes a síkot legfeljebb n + 1) + n + 1) + részre osztja. Ha az n + 1)-edik egyenes az előző n darab egyenes mindegyikét metszi, akkor n darab metszéspont és ezáltal n + 1) darab új síkrész keletkezik. Felhasználva a feltételt, a síkrészek száma: n + n + az állítás tehát igaz. + n + 1 = n + n + + n + = n + 1) + n + 1) +,..6. Teljes indukcióval bizonyítunk. Tegyük fel, hogy a + 1 a, a R egész. 1) n = 1 esetén nyilvánvalóan igaz az állítás. Vizsgáljuk az n = esetet! Ekkor a + 1 a = a + 1 ) a 1 a a = a + a) 1, ami egész, tehát ebben az esetben is igaz az állítás. ) Tegyük fel, hogy k N esetén igaz az állítás, azaz a k + 1 a k Z. Ekkor k 1) N esetén is fennáll az állítás, azaz a k Z. ak 1 3) Bizonyítunk k + 1) N esetén, azaz igazoljuk, hogy a k Z. ak+1 Az alábbi felbontás jobb oldalán szereplő valamennyi tag egész szám a feltételek értelmében: a k a a = k + 1a ) a + 1 ) a k ), k+1 k a a k 1 az állítás tehát igaz...7. A bizonyítást teljes indukcióval végezzük. 1) n = 1 esetén nyilvánvalóan igaz az állítás. Ha a + b = és a + b = 4, akkor a + b) = a + b ab ab = 0, azaz Tehát n = -re is igaz az állítás. a = 0 vagy b = 0.

47 .5 Útmutatások és megoldások 43 ) Tegyük fel, hogy k N esetén igaz az állítás, azaz, ha a + b = és a + b = 4, akkor a k + b k = k. 3) Bizonyítunk k + 1) N esetén, azaz igazoljuk, hogy a k+1 + b k+1 = k+1. Alakítsuk át a bizonyítandó állítás bal oldalán álló összeget: a k+1 + b k+1 = a + b)a k + b k ) aba k 1 + b k 1 ). A második tag ab = 0 miatt 0, így a k+1 + b k+1 = a + b)a k + b k ) = k = k+1. Az állítás igaz...8. Teljes indukcióval bizonyítjuk az állítást. 1) n = 1 esetén az egyenlőség bal oldala + 1) + 1) = 3 5 = 15, jobb oldala: Az állítás igaz n = 1-re. 1 = 4 1 = 16 1 = 15. ) Tegyük fel, hogy k N esetén igaz az állítás, azaz ) + 1) + 1)... k + 1 = k ) Bizonyítunk k + 1) N esetén. Igazoljuk, hogy ) + 1) + 1)... k = k+ 1. Alkalmazzuk az indukciós feltételt: + 1) + 1)... és az a + b)a b) = a b azonosságot! Ekkor Az állítás tehát igaz. ) ) ) k = k+1 1 k+1 + 1, ) ) k+1 1 k = k+1) 1 = n+1 1 = n+ 1.